Global model-based socio-ecological Assessment of Opportunities and Risks of the Transition to Power-to-X Fuels in the Aviation Sector

Die vorliegende Dissertation verfolgt das Ziel, die techno-ökonomischen und sozio-staatlichen Chancen und Risiken zu identifizieren, die mit dem potenziellen Wandel von fossilen zu synthetischen Kraftstoffen im Luftfahrtsektor global einhergehen könnten. Ein generisches Input-Output-Modell einer Power-to-X-Kraftstoffproduktionsanlage mit einer Photovoltaik- oder einer Windkraftanlage wurde in die sozialen und technischen Bedingungen jedes Landes implementiert, sofern diese in den verwendeten Datenbanken verfügbar waren. Das Resultat der Modellierung ist eine Tabelle, welche die potenziellen Umweltauswirkungen und sozialen Risiken der Produktion von 1 kg Power-to-X-Kraftstoff mit spezifischen Resultaten für jeden untersuchten Standort aufzeigt. ... mehrDas Modell umfasst mehrere Produktionspfade für biologische und fossile Kraftstoffe an verschiedenen Standorten, welche als Referenzwerte für jeden Indikator dienen. Die Sustainable Development Goals der Vereinten Nationen dienen als normativer Rahmen und Werkzeug zur Identifizierung der relevantesten Nachhaltigkeitskategorien. Die Indikatoren der ökologischen und sozialen Ökobilanz wurden in Anlehnung an die Sustainable Development Goals ausgewählt und entsprechend kategorisiert. Das erste Szenario basiert auf dem aktuellen globalen Energiesystem sowie dem technologischen Status quo. Um die Berücksichtigung eines sich wandelnden Energiesystems sowie technologischer Entwicklungen zu ge-währleisten, wurde für das Szenario 2050 ein globales Energiesystemmodell integriert. Das Modell berücksichtigt die globale Energiewende sowie iterative Veränderungen entlang des gesamten Lebenszyklus des Energiesystems bis zum Jahr 2050. Die anschließende Auswertung der Ergebnisse beider Szenarien erfolgte in zwei Schritten. In einem ersten Schritt wurde ein Benchmark für das Treibhausgas-Reduktionspotenzial integriert. Dabei wurden diejenigen Konstellationen mit einem Reduktionspotenzial von weniger als 70 % im Vergleich zum fossilen Vergleichswert aus dem zweiten Bewertungsschritt ausgeschlossen. Im zweiten Schritt wurde jeder ausgewählte Indikator separat analysiert. Hierbei wurde die Anzahl der Power-to-X-Konstellationen, die im Vergleich zu den fossilen und bio-basierten Referenzen mit einer geringeren potenziellen Umweltbelastung oder einem geringeren sozialen Risiko verbunden sind, mit der Anzahl der Konstellationen verglichen, die mit einer höheren potenziellen Umweltbelastung oder einem höheren sozialen Risiko verbunden sind. Der Fall, dass die Mehrheit der Konstellationen einen Vorteil gegenüber einer der Referenzen erreicht, wird als Chance für eine nachhaltige Entwicklung betrachtet. Im Falle einer geringen Anzahl an Konstellationen, welche einen Vorteil gegenüber einer Referenz aufweisen, oder gar keiner Konstellation, die einen Vorteil gegenüber einer Referenz aufweist, wird dies als kritische Kategorie bzw. Risiko betrachtet. Zeigt sich lediglich ein Vorteil gegenüber der biobasierten Referenz, jedoch mit höheren potenziellen Umweltauswirkungen oder sozialen Risiken als bei fossilen Kraftstoffen, so ist dies zwar technisch als Vorteil zu werten, jedoch aufgrund des zusätzlichen, einhergehenden Risikos im Vergleich zum Status quo einer genaueren Betrachtung zu unterziehen. In Bezug auf die technisch-ökologischen Aspekte sind insbesondere die Verknappung mineralischer Ressourcen, die Humantoxizität sowie die terrestrische Ökotoxizität als kritische Aspekte zu nennen. Andererseits kann insbesondere eine nachhaltige Entwicklung in den Kategorien terrestrische Versauerung, Wasserverbrauch, Landnutzung, Verknappung fossiler Ressourcen, Feinstaubbildung und marine Eutrophierung erreicht werden. Als kurzfristig größtes sozio-staatliches Risiko entlang der Wertschöpfungskette wurde die Kinderarbeit identifiziert. Bis zum Jahr 2050 können jedoch alle sozio-staatlichen Kategorien als Chance für eine nachhaltige Entwicklung betrachtet werden. Im Rahmen der Untersuchung der techno-ökologischen Indikatoren erfolgte eine detaillierte Analyse der Hauptverursacher potenzieller Umweltauswirkungen. Basierend auf den Erkenntnissen werden mögliche Ansätze zur Verringerung der potenziellen Umweltauswirkungen und sozialen Risiken in verschiedenen Bereichen aufgezeigt. Daraufhin werden die Chancen und Risiken eines Übergangs zu Power-to-X-basierten Kraftstoffen im Luftfahrtsektor zusammenge-fasst. Die identifizierten Risiken können adressiert und gelöst werden, während die nachhaltigen und technisch umsetzbaren Alternativen für den Klimaschutz im Luftfahrtsektor bisher rar sind.

This dissertation seeks to identify the techno-economic and socio-governmental opportunities and risks that could arise globally with the potential transition from fossil to synthetic fuels in the aviation sector. A generic input-output model of a Power-to-X fuel production plant, powered either by a photovoltaic or a wind power plant, was implemented within the social and technical conditions of every country for which data were available in the used databases. The output of this model is a tabular representation of the potential environmental impacts and socio-governmental risks associated with the production of 1 kg of Power-to-X-based fuel, providing specific results for each assessed location. ... mehrThe model includes a number of bio- and fossil-based fuel production pathways at different locations, which provide reference values for each indicator. The United Nations Sustainable Development Goals serve as both a normative framework and a tool for identifying the most relevant sustainability categories. The indicators for the environmental and social life cycle assessments were selected in accordance with the Sustainable Development Goals and classified into corresponding categories. The initial scenario is predicated on the existing global energy system and technological status quo. To account for changes in the global energy system and associated technological developments, a 2050 scenario was integrated into a global energy system model. This model accounts for the global energy transition and the iterative changes potentially occurring throughout the entire life cycle until the year 2050. The results were evaluated in two phases. Firstly, a benchmark for greenhouse gas reduction potential was integrated, with those constellations exhibiting a reduction potential of less than 70% in comparison to the fossil baseline excluded from the second evaluation step. Secondly, each selected indicator was evaluated individually by comparing the number of Power-to-X constellations with a reduced potential environ-mental impact or social risk in comparison to the fossil- and bio-based references with the number of constellations with an increased potential environmental impact or social risk. If the majority of constellations is able to achieve an advantage over one of the references, this is regarded as an opportunity for sustainable development. In the event that less or no constellations are able to achieve a benefit over one of the references, this is regarded as a critical category or risk. In the event that a benefit against the bio-based reference is achieved, yet the potential environmental impact or social risk is higher than that associated with fossil-based fuels, further analysis is required, as this represents an additional risk in comparison to the status quo. In the context of techno-ecological considerations, the scarcity of minerals, human toxicity, and terrestrial ecotoxicity represent critical issues. Conversely, sustainable development can be achieved within the following categories: Terrestrial acidification, water consumption, land use, fossil resource scarcity, fine particulate matter formation, and marine eutrophication. The issue of child labor represents the most critical socio-governmental aspect in the short-run. Nevertheless, by 2050, all socio-governmental indicators present opportunities for sustainable development. The primary contributors to the potential environmental impacts were identified for the critical techno-ecological indicators, and potential strategies for mitigating the impacts and social risks at various stages are presented. In conclusion, the potential benefits and drawbacks of a shift towards Power-to-X-based fuels in the aviation industry are presented. The identified risks can be addressed and resolved while there is a lack of sustainable and technically feasible alternatives for climate protection in the aviation sector.